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e662162d50
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4B9DF72AB9508845
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@ -2,23 +2,23 @@
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## Definizione
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Con il termine ***augmented reality***(da qui in poi AR), si intende un insieme di tecnologie mediante le quali è possibile arricchire, *"aumentare"*, gli oggetti che risiedono nel mondo reale con del contenuto percettivo[^olfactory] generato da un calcolatore.
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Con il termine \ac{AR}, si intende un insieme di tecnologie mediante le quali è possibile arricchire, *"aumentare"*, gli oggetti che risiedono nel mondo reale con del contenuto percettivo[^olfactory] generato da un calcolatore.
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Mediante l'AR è possibile aggiungere, AR *costruttiva*, o rimuovere, *AR de-costruttiva*[^destructive], contenuto informativo al mondo che ci circonda.
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Risulta importate non fare confusione tra AR e VR(virtual reality), in quanto la prima, parte dal mondo reale per aggiungerci del contenuto, mentre la seconda, si pone l'obiettivo di sostituire completamente il mondo reale con uno, generato da un computer.
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Risulta importate non fare confusione tra AR e \ac{VR}, in quanto la prima, parte dal mondo reale per aggiungerci del contenuto, mentre la seconda, si pone l'obiettivo di sostituire completamente il mondo reale con uno, generato da un computer.
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Recentissima, per applicazione, invece è l'MR(mixed reality), che può essere definita come un'AR potenziata, infatti in un'esperienza di MR l'utente oltre a percepire oggetti virtuali è in grado anche di interagire con essi.
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Recentissima, per applicazione, invece è la \ac{MR}, che può essere definita come un'AR potenziata, infatti in un'esperienza di MR l'utente oltre a percepire oggetti virtuali è in grado anche di interagire con essi.
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Volendo elaborare una definizione di questi concetti, usando un paragone cinematografico, possiamo dire che in *The Matrix*[@wachowski:Matrix:1999] viene usata la VR.
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Invece in *Iron Man*[@favreau:IronMan:2008] quando *Tony Stark* è in volo e gli vengono mostrate a video informazioni aggiuntive sta usando l'AR, mentre quando interagisce con gli ologrammi sta usando tecnologie di mixed reality.
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Volendo elaborare una definizione di questi concetti, usando un paragone cinematografico, possiamo dire che in *The Matrix*\cite{wachowski:Matrix:1999} viene usata la VR.
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Invece in *Iron Man*\cite{favreau:IronMan:2008} quando *Tony Stark* è in volo e gli vengono mostrate a video informazioni aggiuntive sta usando l'AR, mentre quando interagisce con gli ologrammi sta usando tecnologie di mixed reality.
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Per una definizione più accurata possiamo ricorrere a quella elaborata nel 1994 da *Paul Milgram* e da alcuni suoi colleghi, che introducono il concetto di ***reality-virtuality continuum***[@milgram:AugmentedRealityClass:1994].
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Per una definizione più accurata possiamo ricorrere a quella elaborata nel 1994 da *Paul Milgram* e da alcuni suoi colleghi, che introducono il concetto di ***reality-virtuality continuum***\cite{milgram:AugmentedRealityClass:1994}.
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Nel loro lavoro hanno definito un segmento(vedi fig. \ref{rvc}) che ha ai propri estremi, da un lato l'ambiente reale, quello in cui viviamo, e dall'altro quello virtuale, completamente generato al computer.
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Esattamente a metà strada tra essi risiede la realtà mista, dove gli oggetti reali e virtuali convivono ed hanno pari valenza.
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Inoltre hanno definito due stati intermedi.
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- **Augmented Virtuality(AV)**:
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- ***\ac{AV}***:
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Stato in cui alcuni elementi reali entrano in contatto con un mondo totalmente generato al computer.
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Sebbene il termine AV sia quello meno conosciuto tra quelli citati, probabilmente tutti noi ne abbiamo avuto esperienza diretta.
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Basti pensare a tecnologie come la *Nintendo Wii*, al *Kinect*, o ai più moderni giochi per smartphone basati su giroscopio e accelerometro, in cui il movimento(reale) del giocatore va ad influenzare il gioco.
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@ -35,7 +35,7 @@ Obiettivo di questa macchina era estendere l'esperienza audio-visiva del cinema
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Durante la visione lo spettatore veniva immerso nell'azione grazie ad una visone 3D e all'audio stereofonico, inoltre poteva percepire il vento, le vibrazioni, generate tramite l'inclinazione della macchina, e addirittura gli odori.
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Nonostante le potenzialità della macchina[^cinema-4d], per mancanza di investitori, *Heilig* fu costretto ad abbandonare il suo progetto.
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Una prima applicazione di AR *moderna* invece la troviamo nel 1968 quando *Ivan Sutherland* costruisce il primo visore(vedi fig. \ref{sutherland}) in grado di aggiungere elementi generati dal computer alla visione umana[@sutherland:HeadmountedThreedimensionalDisplay:1968].
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Una prima applicazione di AR *moderna* invece la troviamo nel 1968 quando *Ivan Sutherland* costruisce il primo visore(vedi fig. \ref{sutherland}) in grado di aggiungere elementi generati dal computer alla visione umana\cite{sutherland:HeadmountedThreedimensionalDisplay:1968}.
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Mentre per il battesimo si dovrà attendere il 1990 quanto *Tom Caudell* introduce per la prima volta il termine *augmented reality*.
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{#sutherland width=400 height=250px}
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@ -44,11 +44,11 @@ Sempre agli inizi degli anni 90 arriva anche la prima applicazione non accademic
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Tramite degli *head-up display*, ovvero un visore a sovrimpressione, venivano mostrate ai piloti delle informazioni aggiuntive, come velocità, quota, beccheggio.
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In questo modo il pilota non aveva la necessità di guardare gli strumenti dell'abitacolo e poteva concentrarsi sul pilotaggio del velivolo.
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A partire dalla fine degli anni 90 le tecnologie AR hanno trovato sempre maggiore applicazione nel campo dell'intrattenimento[@williamsii:HistoryAugmentedReality:2016].
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Infatti è proprio a cavallo tra secondo e terzo millennio, che per la prima volta, durante una partita di NFL, la linea gialla del *primo down* viene generata da un computer.
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A partire dalla fine degli anni 90 le tecnologie AR hanno trovato sempre maggiore applicazione nel campo dell'intrattenimento\cite{williamsii:HistoryAugmentedReality:2016}.
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Infatti è proprio a cavallo tra secondo e terzo millennio, che per la prima volta, durante una partita di \ac{NFL}, la linea gialla del *primo down* viene generata da un computer.
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Negli ultimi anni il fiorente progresso tecnologico ha consentito la diffusione sempre maggiore di apparecchi che permettono di fondere elementi virtuali con la realtà che li circonda.
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Uno dei prodotti più riusciti sono senza dubbio i *Google Glass*(vedi fig. \ref{googleglass})[@x:Glass:2019], presentati al grande pubblico durante il Google I/O del 2013, hanno la forma di comuni occhiali, ma con l'aggiunta di un'appendice che racchiude una fotocamera e un prisma usato per ottenere un *head-up display*.
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Uno dei prodotti più riusciti sono senza dubbio i *Google Glass*(vedi fig. \ref{googleglass})\cite{x:Glass:2019}, presentati al grande pubblico durante il Google I/O del 2013, hanno la forma di comuni occhiali, ma con l'aggiunta di un'appendice che racchiude una fotocamera e un prisma usato per ottenere un *head-up display*.
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L'interazione può avvenire sia tramite un touchpad(in grado di riprodurre audio mediante conduzione ossea[^conduzione-ossea]) sia mediante comandi vocali.
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Grazie a quest'ultima caratteristica è possibile avere un'esperienza d'uso *hand-free* che li ha resi particolarmente utili in campo industriale e medico.
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@ -56,20 +56,20 @@ Grazie a quest'ultima caratteristica è possibile avere un'esperienza d'uso *han
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La crescente diffusione degli smartphone e il progressivo aumento delle loro capacità di calcolo, hanno reso queste nuove tecnologie accessibili al grande pubblico.
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In questo modo è scaturita una continua richiesta di contenuti AR, che ha spinto molti player del settore tecnologico ad investire in questo campo.
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Investimenti che hanno fatto nascere una moltitudine di *SDK* per la realtà aumentata in grado di funzionare su smartphone.
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Investimenti che hanno fatto nascere una moltitudine di \ac{SDK} per la realtà aumentata in grado di funzionare su smartphone.
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Agli inizi del 2014 viene presentato *Google project Tango*[@googleatap:SayHelloProject:2014] uno dei progetti più interessanti e innovativi nel campo della visione artificiale e dell'AR.
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Nasce dalla divisione ATAP[^atap] di Google sotto la guida di Johnny Lee, uno dei leader di *Kinect* in *Microsoft*, con l'intento di estendere le capacità di visione artificiale degli smartphone, rendendoli in grado di capire l'ambiente circostante[@eddy:GoogleFuturePhones:2015].
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Agli inizi del 2014 viene presentato *Google project Tango*\cite{googleatap:SayHelloProject:2014} uno dei progetti più interessanti e innovativi nel campo della visione artificiale e dell'AR.
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Nasce dalla divisione ATAP[^atap] di Google sotto la guida di Johnny Lee, uno dei leader di *Kinect* in *Microsoft*, con l'intento di estendere le capacità di visione artificiale degli smartphone, rendendoli in grado di capire l'ambiente circostante\cite{eddy:GoogleFuturePhones:2015}.
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I *Tango devices* avevano la forma e le funzionalità di un normale smartphone, ma erano dotati di hardware specifico che gli consentiva di comprendere meglio, velocemente e più a fondo l'ambiente fisico che lo circondava.
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Sebbene nel 2016 sia stata rimossa la dicitura *project* e sono stati commercializzati alcuni dispositivi di Lenovo e Asus, *Tango* non ha mai avuto grande successo né tra i produttori, né tra i consumatori.
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Il mancato successo è stato determinato da una parte, dalla tendenza di Google a lanciare prodotti in eterna beta e dall'altra, dal costante miglioramento degli algoritmi di visione digitale che permettevano di ottenere risultati soddisfacenti anche su smartphone con hardware standard, e quindi più a buon mercato.
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La soluzione di Google, da progetto avveniristico, si è ritrovata ad essere limitata ed acerba per il settore professional, in cui stavano emergendo soluzioni decisamente più potenti ed interessanti come *Microsoft HoloLens*[^mixed-reality](vedi fig. \ref{hololens})[@microsoft:MicrosoftHoloLens:2019], ma troppo costosa e limitante per quello consumers.
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La soluzione di Google, da progetto avveniristico, si è ritrovata ad essere limitata ed acerba per il settore professional, in cui stavano emergendo soluzioni decisamente più potenti ed interessanti come *Microsoft HoloLens*[^mixed-reality](vedi fig. \ref{hololens})\cite{microsoft:MicrosoftHoloLens:2019}, ma troppo costosa e limitante per quello consumers.
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{#hololens width=400 height=250px}
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Il mancato successo di *Tango* unito alla concorrenza di altri *SDK* per la realtà aumentata, tra cui *ARKit* di Apple[@apple:ARKitAppleDeveloper:2019], hanno convinto Google ad abbandonare completamente il progetto, trovandosi nella strana situazione di essere stata una delle prime ad investire in AR per smartphone, ma nonostante ciò essere indietro rispetto alla concorrenza.
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Le risorse investite e le conoscenze accumulate con *Tango* hanno però permesso a Google di recuperare velocemente il terreno perso, così dalle ceneri di *Tango*[@kastrenakesGoogleProjectTango2017a] nasce *ARCore*, la piattaforma AR di Google[@googlear:ARCoreGoogleDeveloper:2019].
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Il mancato successo di *Tango* unito alla concorrenza di altri *SDK* per la realtà aumentata, tra cui *ARKit* di Apple\cite{apple:ARKitAppleDeveloper:2019}, hanno convinto Google ad abbandonare completamente il progetto, trovandosi nella strana situazione di essere stata una delle prime ad investire in AR per smartphone, ma nonostante ciò essere indietro rispetto alla concorrenza.
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Le risorse investite e le conoscenze accumulate con *Tango* hanno però permesso a Google di recuperare velocemente il terreno perso, così dalle ceneri di *Tango*\cite{kastrenakesGoogleProjectTango2017a} nasce *ARCore*, la piattaforma AR di Google\cite{googlear:ARCoreGoogleDeveloper:2019}.
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## Principi di funzionamento
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@ -91,7 +91,7 @@ Inoltre un impiego emergente è nel campo industriale, dove tramite opportuni mo
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### Markerless AR
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L'AR markerless, realizzata mediante degli algoritmi di tipo SLAM(*Simultaneus Localization And Mapping*), è il modo più efficace per renderizzare oggetti virtuali nel mondo reale.
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L'AR markerless, realizzata mediante degli algoritmi di tipo \ac{SLAM}, è il modo più efficace per renderizzare oggetti virtuali nel mondo reale.
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Con questa soluzione non è necessario fornire all'algoritmo informazioni di base per il riconoscimento, infatti riesce a capire(*Localization*) e ricordare(*mapping*) ambienti su cui non ha altre informazioni, se non quelle catturate in real-time dai sensori.
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Le maggiori applicazioni di questa tecnologia si hanno nel campo commerciale, basti pensare alla possibilità di provare un mobile o un quadro nel salotto di casa.
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@ -99,7 +99,7 @@ Altro campo in cui hanno riscosso notevole successo è quello ludico e ricreativ
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### Location based AR
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La location based AR, effettua il riconoscimento dell'ambiente mediante sensori di posizionamento, sia out-door(es. GPS), sia in-door(es. Beacon Bluetooth[^beacon]).
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La location based AR, effettua il riconoscimento dell'ambiente mediante sensori di posizionamento, sia out-door(es. \ac{GPS}), sia in-door(es. Beacon Bluetooth[^beacon]).
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Generalmente questo tipo di AR non opera da sola, ma in simultanea ad una delle due tecnologie sopra citate.
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La maggiore applicazione di queste tecnologie si ha nella navigazione in realtà aumentata. Un esempio è la possibilità di vedere percorsi virtuali tra le strade delle città d'arte.
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@ -110,7 +110,7 @@ La maggiore applicazione di queste tecnologie si ha nella navigazione in realtà
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[^olfactory]: Si è soliti associare l'AR principalmente a contenuti audio-video, ma in realtà è un settore che comprende tutti e cinque i sensi. Un'ipotetica tecnologia, che dato in input un piatto, riesce a farci percepite il sapore e l'odore andrebbe ascritta comunque al campo dell'AR.
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[^destructive]: Anche se meno conosciuta, la branca *de-costruttiva*, si pone l'obiettivo di rimuovere del contenuto dal mondo reale. Una delle applicazioni più interessanti, sebbene ancora in fase sperimentale, è la realizzazione di un AD blocker per il mondo reale [@vanhemert:ARExperimentThat:2015]. L'AR de-costruttiva resta ad oggi ancora marginale, sia per una carenza di idee di applicazione, sia perché espone ancora di più l'utente ai pericoli dell'AR che già hanno portato a dei decessi. Mediaticamente più interessanti sono state le morti ascrivibili a *Pokémon GO* [@pokemongodeathtracker:PokemonGODeath:2019].
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[^destructive]: Anche se meno conosciuta, la branca *de-costruttiva*, si pone l'obiettivo di rimuovere del contenuto dal mondo reale. Una delle applicazioni più interessanti, sebbene ancora in fase sperimentale, è la realizzazione di un AD blocker per il mondo reale \cite{vanhemert:ARExperimentThat:2015}. L'AR de-costruttiva resta ad oggi ancora marginale, sia per una carenza di idee di applicazione, sia perché espone ancora di più l'utente ai pericoli dell'AR che già hanno portato a dei decessi. Mediaticamente più interessanti sono state le morti ascrivibili a *Pokémon GO* \cite{pokemongodeathtracker:PokemonGODeath:2019}.
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[^mixed-reality]: Sebbene HoloLens sia un visore per la mixed reality, possiamo annoverarlo anche tra i dispositivi AR in quanto la realtà aumentata è una tecnologia abilitate per l'MR.
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@ -118,4 +118,4 @@ La maggiore applicazione di queste tecnologie si ha nella navigazione in realtà
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[^atap]: Divisione Advanced Technology And Projects di Google, precedentemente nota come Google X.
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[^beacon]: Trasmettitore Bluetooth in grado di trasmettere ripetutamente un codice alfanumerico univoco(UUID) che permette al dispositivo ricevente di localizzarsi in un ambiente chiuso.
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[^beacon]: Trasmettitore Bluetooth in grado di trasmettere ripetutamente un codice alfanumerico univoco(\ac{UUID}) che permette al dispositivo ricevente di localizzarsi in un ambiente chiuso.
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@ -4,17 +4,17 @@
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### Caratteristiche principali
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ARCore è stata costruita intorno a tre caratteristiche principali[@googlear:FundamentalConceptsARCore:2019]:
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ARCore è stata costruita intorno a tre caratteristiche principali\cite{googlear:FundamentalConceptsARCore:2019}:
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- **Motion tracking**:
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Grazie ad un processo chiamato *concurrent odometry and mapping*(COM), ARCore è in grado di capire come il telefono si posiziona rispetto all'ambiente circostante.
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Grazie ad un processo chiamato \ac{COM}, ARCore è in grado di capire come il telefono si posiziona rispetto all'ambiente circostante.
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ARCore riesce ad estrapolare dall'immagine proveniente dalla fotocamera una serie di ***feature points***, ed usa questi punti per calcolare il proprio movimento rispetto all'ambiente.
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Queste informazioni, combinate con quelle provenienti dall'*inertial measurement unit*[^imu], permettono alla libreria di determinare la ***pose*** ovvero la posizione e l'orientamento del device.
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- **Environmental understanding**:
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ARCore ottiene continuamente nuove informazione sull'ambiente tramite i *feature points*, grazie ai quali è in grado di determinare le superfici piane(sia orizzontali che verticali) e i bordi di quest'ultime.
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Dato che le superfici piane sono determinate attraverso i *feature points*, la libreria incontra non poche difficoltà nel riconoscimento di superfici piane verticali monocromatiche come, ad esempio, i muri.
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- **Light estimation**:
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ARCore è in grado di comprendere come la luce illumina gli oggetti reali, mettendo a disposizione del programmatore un'API per poter correggere l'immagine proveniente dalla fotocamera.
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ARCore è in grado di comprendere come la luce illumina gli oggetti reali, mettendo a disposizione del programmatore un'\ac{API} per poter correggere l'immagine proveniente dalla fotocamera.
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Queste informazioni permettono di integrare meglio gli oggetti virtuali nella scena ed avere un maggiore foto-realismo
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### Altre caratteristiche
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@ -25,7 +25,7 @@ Altri due concetti importati di ARCore sono le ***Anchor*** e i ***Trackable***.
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I punti e i piani sono oggetti speciali che implementano l'interfaccia `Trackable` e come risulta evidente dal nome, questi oggetti possono essere tracciati da ARCore nel corso del tempo.
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La possibilità di ottenere informazioni su questi oggetti è molto importante perché ci permette di aggiornare la posa di essi man mano che ARCore apprende informazione sull'ambiente esterno.
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Per questo, quando si vuole posizionare un oggetto virtuale, è necessario definire un'*ancora* ad un trackable, così facendo ARCore è in grado di tracciare e aggiornare la posizione dell'oggetto renderizzato.
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Inoltre per ridurre lo sforzo della CPU le ancore possono essere riutilizzate o messe in pausa quando non sono più parte della scena.
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Inoltre per ridurre lo sforzo della \ac{CPU} le ancore possono essere riutilizzate o messe in pausa quando non sono più parte della scena.
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Risulta importante notare che ARCore non offre alcun supporto alle tecnologie di mixed reality.
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A fronte di ciò è evidente che l'unica modalità di interazione tra l'utente e gli oggetti virtuali sia lo smartphone.
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@ -36,7 +36,7 @@ Questa operazione prende il nome di *hit test*.
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La scelta di ARCore rispetto ad altri ambienti di sviluppo non è stata determinata da una supremazia tecnica.
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La costruzione di una rappresentazione interna dell'ambiente e il posizionamento in questo sono le caratteristiche su cui si erigono tutte le librerie di realtà aumentata markerless.
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Tant'è non è possibile notare una sostanziale differenza tra ARCore e la già citata ARKit, o l'altrettanto valida Vuforia[@vuforia:VuforiaAugmentedReality:2019].
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Tant'è non è possibile notare una sostanziale differenza tra ARCore e la già citata ARKit, o l'altrettanto valida Vuforia\cite{vuforia:VuforiaAugmentedReality:2019}.
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Il campo in cui ARCore eccelle rispetto alla concorrenza invece è la gestione della luce.
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Questo punto di forza, però, viene abbondantemente compensato dall'impossibilità di riconoscere un oggetto reale[^image-recognition](sia esso statico che dinamico) dato un modello 3D.
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@ -66,13 +66,13 @@ Con queste ultime è possibile appoggiarsi ad un motore grafico per la gestione
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Per quanto i vantaggi di queste soluzioni siano innegabili, bisogna considerare che facendo ricorso ad esse si sta introducendo un ulteriore strato di software nel processo di sviluppo;
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software distribuito tramite licenze proprietarie che comportano costi di utilizzo.
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Oltre alle soluzioni elencate in precedenza, per lo sviluppo in ambiente Android, Google mette a disposizione Sceneform[@googlear:SceneformSDKAndroid:2019], un framework per la gestione del rendering di oggetti 3D, ottimizzato per dispositivi mobili che permette di creare velocemente applicazioni in AR sfruttando Java.
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Oltre alle soluzioni elencate in precedenza, per lo sviluppo in ambiente Android, Google mette a disposizione Sceneform\cite{googlear:SceneformSDKAndroid:2019}, un framework per la gestione del rendering di oggetti 3D, ottimizzato per dispositivi mobili che permette di creare velocemente applicazioni in AR sfruttando Java.
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Inoltre essendo pensato specificamente per Android e ARCore offre una serie di ulteriori vantaggi, come la gestione del ciclo di vita dell'activity o la gestione automatica delle ombre.
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Per lo sviluppo delle applicazioni di esempio si è scelto di fare affidamento proprio su quest'ultima soluzione, in quanto offre un ottimo trade-off tra facilità di accesso e potenzialità.
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Inoltre vista la natura open source di Sceneform non si viene meno all'intento della tesi di mostrare le possibilità offerte da tecnologie aperte nel campo dell'AR per smartphone.
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[^image-recognition]: Google ha preferito relegare il riconoscimento di oggetti ad altre sue librerie di deep learning.
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[^imu]: Anche nota con l'acronimo di IMU è un dispositivo elettronico che misura, mediante l'accelerometro, il giroscopio e là dove presente il magnetometro, la forza specifica che agisce sul dispositivo.
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[^ndk]: Acronimo di Native Development Kit, è un insieme di strumenti che permettono di scrivere parti di applicazioni Android in C o C++.
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[^imu]: L' \ac{IMU} è un dispositivo elettronico che misura, mediante l'accelerometro, il giroscopio e là dove presente il magnetometro, la forza specifica che agisce sul dispositivo.
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[^ndk]: Il \ac{NDK} è un insieme di strumenti che permettono di scrivere parti di applicazioni Android in C o C++.
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[^opengl]: Acronimo di Open Graphics Library for Embedded Systems, è una specifica che permette di avere un API condivisa su hardware differente.
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